Исследование свойств биполярного транзистора в схеме включения с общим эмиттером

Биполярные транзисторы (БПТ) являются ведущими полупроводниковыми приборами современной электроники. Эти приборы стоят на первом месте по производству и использованию в разрабатываемой аппаратуре. БПТ выпускаются в диапазоне рабочих токов от единиц мкА до сотен ампер, в диапазоне напряжений - от единиц вольт до двух кВ, по частоте - от постоянного тока до 5 ГГц.

В схему с общим эмиттером с транзистором между базой и эмиттером, подсоединяют источник сигнала (генератор), а к коллектору – нагрузку. К эмиттеру БПТ подсоединяют полюсы одинаковых знаков источников питания. Включение n-p-n транзистора полностью аналогично включению p-n-p транзистора, но при этом следует поменять полярность всех имеющихся источников питания.

Транзистор, включённый по схеме с общим эмиттером, теоретически может дать максимальное усиление сигнала по мощности, относительно других вариантов включения транзистора. Выходной сигнал каскада с общим эмиттером обладает фазовым сдвигом в 180° относительно входного сигнала.

В данном исследовании рассматриваются свойства кремниевого биполярного транзистора 2Т303А, включенного по схеме с общим эмиттером. В данной схеме включения эмиттер – общий электрод. Входной электрод в схеме – база, выходной электрод – коллектор. В схеме включения с общим эмиттером входной сигнал подается на участок база-эмиттер БПТ, а снимается измененный сигнал с участка коллектор-эмиттер. Входной ток в цепи с ОЭ – ток базы I_б , а выходным является ток коллектора I_к.

Схема (Рис. 1) собиралась на монтажном шасси универсального измерительного стенда с помощью комплекта соединительных проводов. Напряжения питания подаются с комбинированного прибора «Сура» (Г1 и Г2). Напряжения и токи измеряются вынесенными стрелочными приборами.

Рисунок 1. Схема для измерения статических характеристик БПТ 2Т303А типа n-p-n для схем включения с ОЭ

В результате измерений, приведенных в таблице 1, были определены характеристики БПТ. Были построены вольт-амперные характеристики для данного транзистора при работе в схеме с ОЭ (Рис. 2).

Таблица 1.

Значение выходных характеристик БПТ в схеме с ОЭ

Зависимости на рис. 2 сняты при токе базы > 0. Если ток базы I_б > 0 , а U_кэ = 0 , то такое состояние БПТ соответствует характеристикам короткого замыкания эмиттера с коллектором. В это время открыт эмиттерный переход (ЭП), к тому же при прямом смещении работает коллекторный переход (КП). Ток коллектора имеет две составляющие: ток коллектора инжекции и ток коллектора экстракции. Примечательно, что площадь КП во всех случаях больше площади ЭП ( S_k > S_э ), отсюда: I_kинж > I_кэкстр , а общий ток коллектора I_к = ( I_кэкстр - I_кинж) < 0.

Рисунок 2. Семейство выходных характеристик БПТ 2Т303А типа n-p-n для схем включения с ОЭ

Когда на КП подали обратное напряжение ток коллектора инжекции I_кинж начинает уменьшаться. В связи с чем впоследствии в точке (0;0) зависимостей на рис.2 наблюдается равенство I_кэкстр = I_кинж. Следовательно становится равным нулю обший ток коллектора. При дальнейшем увеличении напряжения U_кэ ток инжекции I_кинж продолжает уменьшаться. Участок 1В < Uкэ < 8В относится к режиму активного усиления, коллекторный переход получает обратное смещение и работает в режиме экстракции, а эмиттерный - в режиме инжекции.

Стоит отметить, при росте I_б выходные характеристики располагаются выше и правее относительно начала координат. Теперь возрастает величина напряжения U_бэ и при большем значении напряжения коллектор-эмиттер на переходе коллектор-база выполняется условие нулевого напряжения, что говорит о начале режима активного усиления транзистора.

Входное сопротивление

                                                                                            (1)

Входная проводимость

                                                                                            (2)

Коэффициент передачи тока

                                                                                            (3)

Воспользовавшись формулами (1) – (3), получили следующие значения для БПТ в схеме включения с ОЭ в данном исследовании: h_11э=0,1 Ом, h_22э=1,53 См, h_21э=46.

Биполярный транзистор в схеме включения с общим эмиттером управляется как положительным, так и отрицательным входным током. Это является отличительной особенностью БПТ в схеме с ОЭ от других схем включения. При этом диапазон тока I_б = 0 ÷ −I_ко. При I_б = −I_ко, что соответствует случаю I_э = 0 , при этом в цепи коллектора протекает ток, который является неуправляемым током коллекторного перехода I_ко.

Результаты исследования подтвердили теоретические свойства примененного БПТ. Данный транзистор работает в рабочей области с высоким коэффициентом передачи тока. Так же замечены малые потери мощности при нагревании. Всё это позволяет сделать вывод, что данный транзистор при включении в цепь с общим эмиттером является хорошим усилителем. Свойства данного транзистора имеют преимущества перед другими БПТ для применения в производстве электронных устройств.